關於黑洞，你一定要知道的物理知識！

2020年的諾貝爾物理學獎已經在十月六日揭曉，今年的諾貝爾獎並沒有如普遍預測的一樣頒給粒子物理或者凝聚態物理，而是頒給了對於宇宙中最「黑暗」的天體——黑洞的研究。羅傑·彭羅斯，賴因哈德·根策爾，安德烈婭·蓋茲分享了這個獎項。

黑洞是宇宙中最神奇也是最神秘的天體之一，人類對於黑洞的研究可以追溯到104年前，一位名叫施瓦西的的天文學家在計算時發現了一個愛因斯坦的廣義相對論場方程的解，這個解表明，如果一個靜態球對稱星體的半徑小於某一個特定值(史瓦西半徑)，這個星體就會存在一個邊界，只要進入了這個邊界，即使是光都無法逃出。美國物理學家約翰惠勒給這種不可思議的星體起了個名字——黑洞。

史瓦西

史瓦西半徑表達式

雖然黑洞的概念在100多年前已經被提出，但是我們直到2019年才首次通過事件視界望遠鏡一睹黑洞的真容。

人類歷史上第一張黑洞照片

今天我們就來跟大家一起聊聊關於黑洞，你一定要知道的知識。

黑洞的誕生

恆星是宇宙中的巨人，他們產生著巨大的引力，這種引力不僅影響著圍繞它運動的行星，同樣影響著恆星自身，在引力的作用下，恆星具有坍縮的趨勢，不過恆星的內核不停進行的高強度核反應，核反應提供的輻射壓和恆星自身的引力相互對抗，形成了一種平衡，不過這種平衡在恆星暮年開始被逐漸打破。在恆星暮年的時候，恆星內核的核燃料消耗殆盡，核反應不再能提供可以與引力對抗的輻射壓，恆星就開始瘋狂的坍縮，但是此時恆星距離黑洞還有一定的距離，想要變為黑洞，恆星還必須克服兩大障礙——電子簡併壓與中子簡併壓。

在微觀世界，像電子中子這樣的費米子都具有一定的自閉症，它們不願意跟別的同種費米子共享同一個狀態。如果兩個電子空間距離很近，那他們速度差距就會很大，以保證它們不會在相近的距離內相處太久，如果兩個電子速度很接近，那他們空間距離就應該相距很遠，以保證它們不會碰到彼此，這就提供了一種同種費米子之間的相互排斥。這種特性是由物理學家泡利發現的，又稱為泡利不相容原理。

這種同種費米子之間相互嫌棄導致的簡併壓是恆星變為黑洞前最後的阻礙，對於質量小於錢德拉賽卡極限(1.44倍太陽質量)的恆星來說，電子簡併壓是扛得住的。

對於質量小於奧本海默極限(約為2-3倍太陽質量)的恆星來說，中子簡併壓是可以頂得住的。

但是對於質量更大的恆星來說，電子簡併壓和中子簡併壓也無能為力了，在一場明亮華麗的超新星大爆發之後，黑洞誕生了。

黑洞會死亡嗎？

黑洞的誕生標誌著大質量恆星的死亡，但是黑洞是不是也會死亡呢？實際上確實很有可能，而黑洞的直接死因可能就是——霍金輻射。

在介紹霍金輻射之前，我們需要先聊一聊量子場論中的真空的概念。大家或許經常聽到一個說法叫真空不空，看似一無所有的真空實際上充斥著各種各樣粒子的場，電子場，夸克場，希格斯玻色子場……，而基本粒子們則是各自的場所對應的激發態，正粒子對應正的頻率，反粒子對應負的頻率。在真空中，所有場都處在最低的能量狀態，但是由時間能量不確定關係，在極短的時間內，場可能因為能量漲落而激發產生虛粒子，這種漲落通常是正負頻率同時發生的，對應於一對兒正反粒子的產生。不過不用擔心，這種方式產生的正反虛粒子對很快就會湮滅將能量重新還給真空，除非，這個過程發生在黑洞的視界附近。

在之前我們提到，黑洞存在一個邊界，一旦進入這個邊界，即使是光也無法逃脫，這個邊界被稱為黑洞的事件視界，假如有一對兒正反虛粒子在黑洞的事件視界邊緣產生，一個粒子在黑洞的視界內，一個粒子在黑洞的視界外，視界內的粒子由於黑洞強大的引力而被拉進黑洞，由於動量守恆定律，視界外的粒子則會朝著相反的地方飛去，從外界看起來，就像黑洞向外發出了輻射，這種輻射就是霍金輻射，但是正反虛粒子對本來應該湮滅將能量歸還，可現在一個粒子帶著能量自己飛走了，這份從真空中「借「出的能量總得有人去還，而這個將能量還給真空的角色只能由黑洞來扮演了。因此霍金輻射將會使黑洞損失能量，視界面積減小，最終黑洞將為自己的貪吃付出代價，徹底消失。

霍金輻射有個非常有趣的特點，那就是越小的黑洞，霍金輻射越劇烈，相應的黑洞的壽命越短，越大的黑洞反而霍金輻射越弱，黑洞的壽命越長。譬如一個幾倍太陽質量的黑洞其溫度只有10^-8K，而其壽命則比宇宙年齡還大10⁵⁸倍。如果想在今天的宇宙中探測到霍金輻射，那麼我們需要一個質量小於^{10 12}千克的黑洞。因此，霍金輻射這個想法雖然非常有趣，但是至今未能得到實驗驗證。所以即使霍金依然在世，恐怕也很難憑藉霍金輻射獲得今年的諾貝爾物理學獎。

如何製造一個黑洞？

黑洞誕生於恆星的死亡，但是難道只有恆星才能形成黑洞嗎？理論上說，確實不僅僅只有恆星才可以，雖然在介紹黑洞誕生的時候我們是用恆星的質量作為判斷依據，只有質量大於奧本海默極限的恆星才能變成黑洞，但是實際上是否可以變成黑洞的判定依據應該是密度，也就是能否把足夠大的質量壓縮進足夠小的空間。

要壓縮進多麼小的空間，這就需要求助於我們之前提到的史瓦西半徑了。

對於每一個有質量的物體，都有自己對應的史瓦西半徑，任何物體只要能保證在不損失質量的情況下將自身壓縮進史瓦西半徑以內，就可以變為一個黑洞。下面我們就來看看一些常見物體的史瓦西半徑都是多少。

首先看看我們的太陽，太陽質量大約為2.0x10³⁰千克，對應的施瓦西半徑約為3千米，也就是如果我們能把太陽壓縮成一個半徑3千米的球，那麼太陽也可以變成一個黑洞，也就相當於把太陽半徑縮小二十多萬倍……，我就那麼一說。

然後再來看看我們的地球，地球質量大概是6x10²⁴千克，對應的史瓦西半徑約為1釐米，大概是我們的指甲蓋大小。這類小黑洞無法通過恆星坍縮形成，但在宇宙早期可以由物質的密度漲落產生。根據早期宇宙理論模型，這些黑洞的質量能夠低至1克。宇宙早期產生的原初黑洞有可能作為冷暗物質的一部分，在宇宙演化中發揮重要作用。

最後，我們說說在地球上產生黑洞的可能性。在大型強子對撞機建造初期，有反對聲音提出粒子對撞將較高的能量在短時間內聚集在較小的區域，有可能產生黑洞併吞噬地球，這些質疑一度引起媒體和公眾的關注。不過由於引力相互作用很弱，大型強子對撞機聚集的能量並不足以產生黑洞，除非牛頓引力常數比已知數值大10³⁰倍。另一方面，高能宇宙射線一直在以更高的能量不停轟擊著大氣和月球，而我們迄今也沒有看到黑洞的效應，這也間接說明即使對撞機能夠產生黑洞，其效率也是可以忽略的。不過這還真有點小遺憾，如果真能在實驗室裡創造出黑洞來，我們對這個神秘的傢伙一定能有更多了解。

掉入黑洞會怎麼樣？

不知道大家有沒有想像過，如果你掉進黑洞裡會怎麼樣。其實想要掉進黑洞並沒有那麼容易，首先黑洞只有在事件視界範圍以內的時候，引力才能強大到光都無法逃離，距離黑洞越遠，受到的影響越小。舉個簡單的例子，假如太陽變成了黑洞，地球會被吸到太陽黑洞裡嗎？完全不可能，太陽形成的黑洞事件視界半徑只有3千米左右，即使是離太陽最近的水星都不會被吸進去，而且由於太陽質量未發生變化，圍繞太陽運轉的行星們甚至軌道都不會發生什麼變化，唯一的變化大概就是，我們會被凍死。

現在讓我們重新回到進入黑洞的問題，如果你想要進入黑洞，我強烈建議你一定要找個朋友陪你一起去，你的朋友在外面看著你進入的全過程，如果你有幸從黑洞裡出來，你們討論起這個事情，你會聽到一個完全不同的故事。

要進入黑洞的第一步就是選擇正確的黑洞，對於小質量的黑洞，你大概率無法撐到進入事件視界就會被撕成碎片，因為引力隨距離成反比，距離黑洞越近，感受到的引力越大，你大概會被拉長成一根義大利麵，然後被潮汐力撕碎。

好在對於大質量黑洞，潮汐力沒有小質量黑洞那麼大，所以，你應該選擇大質量黑洞。在飛向黑洞事件視界的過程中，還要儘量遠離黑洞的吸積盤。第一張黑洞照片裡的光亮區域就來自於黑洞吸積物質發出的光。由於引力隨距離變化的原因，吸積盤中靠近黑洞的部分旋轉速度較快，遠離黑洞的部分旋轉速度較慢，這種速度差會導致層與層之間劇烈的摩擦，產生大量的熱量，這也是為什麼我們能看到黑洞的吸積盤，如果你離吸積盤太近了，你可能會被烤熟。

我們假設你成功到達事件視界的邊界上了，這時我們先把鏡頭切到看著你進入黑洞的那個朋友的視角。隨著接近黑洞的事件視界，你落入更深的引力勢阱中，由於引力紅移效應，他會看到你逐漸變紅，動作也越來越緩慢。最後他會看到你定格在事件視界的邊緣，逐漸變紅，變暗，消失，你落入視界後發出的信號則被囚禁在視界背後。

現在我們再切換回進入黑洞的你，在你靠近事件視界的時候應該回頭看看你面前的宇宙，雖然根據相對論，黑洞周圍的時間流逝變得緩慢，但是你並不會感覺自己的時間流逝緩慢，而是會感覺遠離黑洞的世界的時間流逝在加快，世界對於你來說仿佛按下了快進鍵，你仿佛可以看到未來一樣，這麼一想還是挺浪漫的，所以千萬不要錯過這一幕。

最後你進入了事件視界，這時你也沒有了反悔的可能性，擺在你眼前的只有一條路，一條指向黑洞中心奇點的不歸路，在你離奇點足夠近的時候，你將被極其強大的引力梯度撕碎。羅傑彭羅斯今年獲獎的一個重要原因就是在一般條件下證明了黑洞的形成和奇點的存在。不過，廣義相對論並不能描述奇點，事件視界內的物理規律也有可能與我們所知相差甚遠。就像《星際穿越》中的庫玻一樣，也許你會在落入黑洞後洞悉量子引力的奧秘並將它最終帶出來，誰知道呢。

這就是宇宙中最神秘天體的一些小知識，它誕生於恆星的毀滅，最終也可能死於自己的「貪婪「。

後記

本文對於霍金輻射的介紹並不嚴謹，實際上正反虛粒子對在事件視界邊緣產生，其中一個被黑洞吸入，另一個被發射的說法雖然有一些道理，但是跟更精確的表示方法有一些差距，首先霍金輻射並不是來自於固定的點，而是看起來來自整個黑洞，其次如果你進入黑洞內部，你是看不到被黑洞吸入的那些粒子的。

圖片均來自於網絡

來源：中科院高能所

原標題：關於黑洞，你一定要知道的知識！

編輯：dogcraft